Ранняя Вселенная оказалась не такой первозданной, как считали учёные

Спустя всего около 500 миллионов лет после Большого взрыва, когда Вселенной было примерно 3% от её текущего возраста, первые звёзды и галактики уже начали светиться. Астрономы обычно предполагали, что большая часть газа вокруг этих молодых галактик оставалась почти первозданной, состоящей в основном из водорода и гелия — базовых элементов новорождённого космоса.

Новые данные свидетельствуют о том, что эта картина может быть неполной. Исследование под руководством астрономов из Университета Аризоны, опубликованное в журнале Nature Astronomy, показывает, что ранние галактики уже выбрасывали в окружающее пространство более тяжёлые элементы, такие как углерод и кислород, гораздо раньше, чем ожидалось.

«Мы наблюдали, что тяжёлые элементы покидали галактики очень и очень рано по космическим меркам, — сказал Юнда Чжу, первый автор статьи и постдокторант кафедры астрономии и обсерватории Стюарда Университета Аризоны. — Эти галактики не только производили эти элементы, но и рассеивали их, возможно, засеивая другие галактики».

Ранняя Вселенная содержала лишь водород и гелий — два простейших элемента в начале периодической таблицы. Когда гравитация собрала этот материал в плотные облака, начали формироваться звёзды. Внутри них экстремальные температура и давление запускали термоядерный синтез и другие реакции, создававшие более тяжёлые элементы, такие как углерод и кислород.

Когда звёзды заканчивали свою жизнь, в том числе взрываясь как сверхновые, они выбрасывали эти элементы в космос. Позже этот материал становился частью новых поколений звёзд и планет и в конечном итоге способствовал формированию химии, необходимой для жизни. Углерод в человеческом теле и кислород, которым дышат люди, были созданы внутри более ранних поколений звёзд.

Оставалось неясным, как быстро эти тяжёлые элементы покидали первые галактики и распространялись по Вселенной.

Чжу и его коллеги сосредоточились на трёх чрезвычайно далёких галактиках, свет от которых шёл более 13 миллиардов лет. Наблюдения показывают эти галактики такими, какими они были примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва, в период, называемый эпохой реионизации.

В эту эпоху первые поколения звёзд и галактик изменяли космос, ионизируя водородный газ между галактиками. В этом процессе электроны отрывались от ядер водорода. По мере развития реионизации ультрафиолетовый свет мог свободнее распространяться в пространстве, помогая положить конец космическим «тёмным векам».

«Мы использовали сами галактики как фоновые источники света, — сказал Чжу. — Когда свет от галактик шёл к Земле, он проходил через окружающий газ, и мы смогли изучить спектры поглощения, чтобы обнаружить конкретные элементы».

Космический телескоп Джеймса Уэбба NASA сделал эти наблюдения возможными благодаря своим инфракрасным возможностям, позволяющим астрономам изучать галактики такими, какими они были более 13 миллиардов лет назад. Почти 30 часов экспозиции собрали достаточно света, чтобы команда смогла выявить чрезвычайно слабые особенности поглощения в спектрах далёких галактик.

В течение одной долгой ночи Чжу вручную изучил общедоступные спектры JWST сотен галактик. В итоге он определил три, чьи спектры поглощения показали признаки тяжёлых элементов, включая углерод, кислород и кремний.

Линии поглощения были «смещены в синюю сторону» по сравнению с красным смещением самих галактик. Это смещение показало, что газ двигался наружу, унося кислород, углерод и другие тяжёлые элементы из галактик в межгалактическое пространство.

Примечательно, что химические сигнатуры вокруг этих младенческих галактик выглядели похожими на те, что обнаруживаются вокруг гораздо более зрелых галактик миллиарды лет спустя. Это открытие говорит о том, что уже на космическом рассвете галактики производили тяжёлые элементы и распространяли их в своём окружении.

«Представьте эти элементы, возникшие в звёздах галактик, как пищевой краситель, капнутый в чашку воды, — сказал Чжу. — Цвет начинает распространяться по воде, и аналогичным образом эти тяжёлые элементы из ранних галактик начали утекать в космос и „обогащать“ своё окружение».

Астрономы называют обмен материалом между галактиками и их окружением барионным циклом. Этот процесс показывает, что галактики не являются полностью изолированными объектами. Вместо этого они взаимодействуют с окружением как части гораздо более крупной галактической экосистемы, где материал, созданный одним поколением звёзд, перерабатывается и перераспределяется.

Обнаружение свидетельств того, что барионный цикл уже шёл так рано, может также помочь объяснить давнюю загадку, связанную со звёздами населения III. Эти гипотетические звёзды, как считается, были первым поколением Вселенной, формировавшимся из первозданного газа, состоящего только из водорода и гелия, до широкого распространения тяжёлых элементов.

Если галактики уже обогащали окружающее пространство всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва, то по-настоящему первозданный газ мог исчезнуть быстро. В результате звёзды населения III, возможно, не оставались распространёнными достаточно долго, чтобы их можно было легко наблюдать.

«Если вы начинаете с чистого ванильного мороженого, но вскоре начинаете подмешивать в него посыпку, пройдёт немного времени, прежде чем вы больше не сможете найти чистое, простое ванильное мороженое», — сказал Чжу.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Аризоны.

Yongda Zhu, Zhiyuan Ji, George D. Becker, Jiani Ding, Eiichi Egami, Xiaohui Fan, Xiangyu Jin, Weizhe Liu, Jianwei Lyu, Zheng Ma, Suprabhas Narisetty, George H. Rieke, Yunjing Wu, Minghao Yue, Junyu Zhang, Marcia J. Rieke. Early metal-enriched baryon cycling before the midpoint of cosmic reionization. Nature Astronomy, 2026; DOI: 10.1038/s41550-026-02988-2